新型行波超聲電機(jī)機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、超聲波電機(jī)是近20年發(fā)展起來的新型驅(qū)動器，其工作原理與傳統(tǒng)的電磁型電機(jī)工作原理有著根本區(qū)別，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化成質(zhì)點(diǎn)超高頻微觀振動，進(jìn)一步通過摩擦或聲懸浮驅(qū)動轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動。具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活、低速、大力矩密度、響應(yīng)快、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、光學(xué)儀器、醫(yī)療器械、精加工、辦公自動化、信息產(chǎn)業(yè)、汽車等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于超聲電機(jī)發(fā)展歷史較短，輸出性能有著很多不足，特別是行波超聲電機(jī)，在力矩

2、密度和絕對輸出力矩方面，都難以滿足實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的需要。為提高行波超聲電機(jī)力矩密度和絕對輸出力矩的性能指標(biāo)，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，本文對行波超聲電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)、振動特性以及電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的研究。
　　傳統(tǒng)圓環(huán)型行波超聲電機(jī)在動態(tài)接觸過程中，定轉(zhuǎn)子之間動態(tài)點(diǎn)面接觸是其力矩密度和絕對輸出力矩比較低的主要原因。針對行波超聲電機(jī)的這個缺點(diǎn)，本文提出將定轉(zhuǎn)子之間動態(tài)點(diǎn)面接觸改變?yōu)榫€面接觸的新驅(qū)動原理概念。從提高行波超聲電機(jī)的力矩密度和絕對輸出力

3、矩兩個角度，進(jìn)行了新型行波超聲電機(jī)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先從提高力矩密度角度，本文提出了一種圓筒型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)，利用定子質(zhì)點(diǎn)徑向橢圓運(yùn)動的切向速度產(chǎn)生的摩擦力來驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其定轉(zhuǎn)子之間為動態(tài)線面接觸，從而通過增大接觸面積，提高了樣機(jī)的力矩密度。本文實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的力矩/質(zhì)量比是日本USR30的1.7倍。文中對此電機(jī)定子進(jìn)行了理論分析，從圓柱殼體的振動微分方程出發(fā)，通過給定邊界條件和初始條件，求解出了圓柱殼體振動的頻率參數(shù)。從能量守

4、恒原理出發(fā)，針對圓柱殼體中性層的兩種狀態(tài)（不變和伸長），推導(dǎo)出壓電陶瓷的位置分布對圓柱殼體定子振動特性的影響，以及求解出壓電陶瓷分布參數(shù)所應(yīng)滿足的函數(shù)關(guān)系式；從振動力學(xué)、波動學(xué)理論出發(fā)，分析圓筒型超聲電機(jī)定子行波形成原理。
　　本文建立了粘貼壓電陶瓷的圓筒型超聲電機(jī)定子的有限元模型，采用耦合場分析方法對電機(jī)定子（考慮壓電陶瓷的電學(xué)效應(yīng)）進(jìn)行了有限元分析，得到了數(shù)值分析結(jié)果，進(jìn)一步采用不同的回歸擬合函數(shù)，建立了以不同金屬基體厚度與壓

5、電陶瓷厚度比值、齒的結(jié)構(gòu)尺寸以及不同軸向尺寸為自變量，定子自由振動特征頻率為因變量的數(shù)學(xué)解析模型，繪制了各參數(shù)對定子圓柱殼體固有頻率的影響曲線。同時對定子齒的齒高、齒周向尺寸以及定子軸向尺寸變化對特征頻率的影響進(jìn)行了比較分析，為定子齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了選擇的依據(jù)。文中利用有限元瞬態(tài)分析，證明了圓筒型超聲電機(jī)在特定間隔位置分布的壓電陶瓷激勵下，可以在定子齒上形成徑向橢圓運(yùn)動軌跡。
　　本文針對圓筒型超聲電機(jī)對預(yù)緊力調(diào)節(jié)的要求，

6、提出了兩種形式的圓筒型超聲電機(jī)定子結(jié)構(gòu)。并給出了定子齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)則。通過對電機(jī)材料使用特性的要求以及結(jié)構(gòu)形式特殊性的分析，選擇了適合圓筒型超聲電機(jī)的材料。最后通過對兩種定子結(jié)構(gòu)形式電機(jī)的測試得到了圓筒型超聲電機(jī)的力矩/質(zhì)量比，并分析了性能輸出受到限制的原因，同時也看到了此種結(jié)構(gòu)形式電機(jī)的發(fā)展空間。
　　為了提高行波超聲電機(jī)的絕對輸出力矩，本文提出并研制了一種基于仿行波機(jī)理的換能器式大力矩超聲電機(jī)。其定子由3個蘭杰文振子組成，